CN1866713B - 一种三电平零电压开关直流变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三电平零电压开关直流变换器，由输入分压电容、开关管斩波电路、变压器隔离电路，整流电路、滤波电路和直流电压输出电路组成。开关斩波电路为带中点箝位二极管的两个三电平半桥，三电平半桥的每个开关管上都并联电容，或都不并联电容，通过其寄生电容实现软开关。若为普通变压器，副边整流电路为由二极管组成的全桥整流电路，若为带中间抽头的变压器，副边为全波整流电路。本发明控制开关管斩波电路输出的电压脉宽控制能量传输大小，控制变压器原边三电平桥臂输出的正负向电压脉宽的相对大小，解决三电平桥臂中点电压不平衡的问题。

Description

一种三电平零电压开关直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流变换器及其控制方法。

背景技术

目前，直流-直流变换器在工业中得到了广泛的应用。为了满足电网谐波要求标准IEC6100-3-2，常用三相功率因素校正变换器，三相功率因素校正变换器的输出电压一般为760-800V，有时甚至可达1000V，这给在直流-直流变换器高压端电压较高的情况下，常采用三电平的形式，以减少开关管的电压应力。但是，目前的三电平直流-直流变换器常采用半桥的形式，如中国专利00219197“零电压零电流开关直流变换器”。图1为中国专利00219197“零电压零电流开关直流变换器”其中一个拓扑结构图，其中2为它的开关斩波电路，由于它采用半桥的形式，限制了输出功率的进一步提高。中国专利01127182“零电压零电流开关混合全桥型三电平直流变换器”，虽然是一种全桥形式的三电平变换器，但是它有一半为两电平的桥臂，开关管的电压应力大，同样限制了输入直流端电压的和输出功率提高。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种的零电压开关的全桥三电平直流变换器，它不但能实现所有开关管的软开关，而且还能实现中点电压的不平衡控制。它可作为大功率的开关电源应用于各种领域。

本发明的拓扑结构由输入分压电容、开关管斩波电路、变压器隔离电路，整流电路、滤波电路和直流电压输出电路六部分组成。开关斩波电路为带中点箝位二极管的两个三电平半桥组成，三电平半桥的所有的开关管上都并联电容，或者都不并联电容，利用其寄生电容实现软开关。电容的取值可视软开关的需要而定。两个三电平半桥的中点和箝位二极管的中点都与两个分压电容器的中点相连。变压器可以为普通变压器，也可以为副边带中间抽头的变压器。若为普通变压器，副边整流电路为由二极管组成的全桥整流电路，若为带中间抽头的变压器，副边为由二极管组成的全波整流电路。为了提高功率密度，变压器可用高频变压器。

本发明通过控制开关管斩波电路输出电压的脉宽控制能量传输的大小，根据输入电压或负载的大小，开关管斩波器可自动在二电平和三电平两种工作状态之间切换，从而适应了宽输入电压范围和负载变化的需要。它还可以通过控制三电平桥臂输出的正负向电压脉宽的相对大小来控制中点电压的不平衡。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为中国专利00219197“零电压零电流开关直流变换器”其中一个拓扑结构图。

图2为本发明的一个典型的拓扑结构原理图.图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为开关管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Vin为输入直流电源，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，DR1、DR2为二极管，Lo为滤波电感，Cf为滤波电容，Rld为负载.

图3为本发明的实施例1。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Vin为输入直流电源，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，DR1、DR2为二极管，Lo为滤波电感，Cf为滤波电容，Rld为负载。

图4为本发明的实施例3。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Vin为输入直流电源，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，DR1-DR4为晶闸管，Lo为滤波电感，Cf为滤波电容，Rld为负载。

图5为两电平模态下的开关时序图。

图6为三电平模态下的开关时序图。

图7为分压电容电压不平衡控制原理图。

具体实施方式

图2为本发明的一个典型的拓扑结构原理图。它由输入分压电容1、开关管斩波电路2、变压器隔离电路3，整流电路4、滤波电路5和直流电压输出电路6六部分组成。输入分压电容1由两个分压电容Cd1、Cd2头尾相连而成。开关斩波电路2由两个三电平桥臂组成。开关管Q1-Q4和钳位二极管D9、D10组成其中一个三电平桥臂。开关管Q1-Q4头尾相连，开关管Q1反并联二极管D1，并与电容器C1并联；开关管Q2反并联二极管D2，并与电容器C2并联；开关管Q3反并联二极管D3，并与电容器C3并联；开关管Q4反并联二极管D4，并与电容器C4并联。开关管Q1、Q2的中点与钳位二极管D9的阴极相连，Q3、Q4的中点与钳位二极管D10的阳极相连。钳位二极管D9的阳极与D10的阴极相连，其中点与分压电容Cd1、Cd2的中点相连。开关管Q5-Q8和钳位二极管D11、D12组成其中另一个三电平桥臂。开关管Q5-Q8头尾相连，开关管Q5反并联二极管D5，并与电容器C5并联；开关管Q6反并联二极管D6，并与电容器C6并联；开关管Q7反并联二极管D7，并与电容器C7并联；开关管Q8反并联二极管D8，并与电容器C8并联。开关管Q5、Q6的中点与钳位二极管D11的阴极相连，Q7、Q8的中点与钳位二极管D12的阳极相连。钳位二极管D11的阳极与D12的阴极相连，其连线中点与分压电容Cd1、Cd2的连线中点相连。两个三电平桥臂与两个串联分压电容Cd1、Cd2并联。两个三电平桥臂的中点A、B与变压器原边绕组的两端相连。变压器隔离电路3为副边带中间抽头的变压器，根据需要变压器的原边可串联谐振电感。整流电路4为由二极管DR1、DR2组成的全波整流电路。二极管DR1、DR2的一端与变压器副边的两端相连，另一端相互连接，并与滤波电路5的一端相连。滤波电路5的另一端与变压器的中间抽头相连。滤波电路5为一个LC滤波电路。直流电压输出电路6的两端与滤波电容的两端并联。其中C1-C8根据需要也可以取消，通过其寄生电容来实现软开关。

图3为本发明的实施例1.图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Vin为输入直流电源，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，DR1、DR2为二极管，Lo为滤波电感，Cf为滤波电容，Rld为负载.其连接方式与图2完全相同，只是用相应的实际开关代替理想开关.其中IGBT可为1MBI600PX-120，二极管可为MDN 600C20。

图4为本发明的实施例2。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Vin为输入直流电源，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，DR1-DR4为晶闸管，Lo为滤波电感，Cf为滤波电容，Rld为负载。其输入分压电容1、开关管斩波电路2、滤波电路5和直流电压输出电路6与图3完全相同，这里不再赘述。变压器隔离电路3为副边不带中间抽头的变压器，根据需要，变压器的原边可串联谐振电感。整流电路4为DR1、DR2、DR3、DR4组成的全桥整流电路，DR3的阴极与DR1的阳极相连，构成其中一个桥臂，DR4的阴极与DR2的阳极相连，构成其中另一个桥臂。两个桥臂相互并联。两个桥臂的中点与变压器副边的两端相连，两个桥臂的两端与滤波电路5的两端并联。其中IGBT可为1MBI600PX-120，二极管可为MDN 600C20。

本发明的具体工作原理和过程如下：

本发明可工作在二电平和三电平两种模式。

在二电平模式中，本发明变换器在一个开关周期共有16种开关模态，分别对应于[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₂，t₃]、[t₃，t₄]、[t₄，t₅]、[t₅，t₆]、[t₆，t₇]、[t₇，t₈]、[t₈，t₉]、[t₉，t₁₀]、[t₁₀，t₁₁]、[t₁₁，t₁₂]、[t₁₂，t₁₃]、[t₁₃，t₁₄]，[t₁₄，t₁₅]，[t₁₅，t₁₆]，如图5所示。其中[t₀，t₈]为前半周期，[t₈，t₁₆]为后半周期。下面以图2为例，详细描述其工作过程，其中U_A0为第一个三电平桥臂的输出端A对两个分压电容器中点0的电压，U_B0为第二个三电平桥臂的输出端B对两个分压电容器中点0的电压。U_AB为两个桥臂输出端的电压。I_P为流过变压器原边的电流。另设变压器的变比为K(Np/Ns)，U_o为副边整流电路的输出电压。

开关模态1(对应于[t₀，t₁])。t₀时刻之前，原边电流I_P从中点0出发，流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t₀时刻，Q3、Q6关断，由于有C3、C6，所以是零电压关断。关断后，电流I_P给C3、C6充电，C1、C2、C7、C8放电，充放电结束后，C1、C2、C7、C8上的电压为零。I_P的流向为D8-D7-Q6-B-A-D2-D1。

开关模态2(对应于[t₁，t₂])。t₁时刻，开通Q2、Q7，由于C1、C7上的电压为零，且原边电流流过Q2、Q7的反并联二极管，所以是零电压开通。

开关模态3(对应于[t₂，t₃])。t₂时刻，开通Q1，由于C1上的电压为零，所以是零电压开通。Q1开通后，电流I_P逐渐反向增加，整个开关过程结束后，I_P的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。变压器原边向副边传输能量。

开关模态4(对应于[t₃，t₄])。t₃时刻，Q1关断，由于Q1两端有电容C1，所以是零电压关断。Q1关断后，I_P给C1充电，C3、C4放电，充放电过程结束后，C1两端的电压为分压电容Cd1两端的电压，I_P的流向为0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。

开关模态5(对应于[t₄，t₅])。t₄时刻，Q2、Q7关断，I_P给C2、C7充电，给C3、C4、C5、C6放电，充放电过程结束后，Q3、Q4、Q5、Q6的反并联二极管导通，C3、C4、C5、C6上的电压为零，I_P的流向为D4-D3-A-B-D6-D5。

开关模态6(对应于[t₅，t₆])。t₅时刻，Q3、Q6开通，由于Q3、Q6的反并联二极管导通，所以是零电压开通.原边电流流向不变.

开关模态7(对应于[t₆，t₇])。t₆时刻，t₆时刻，Q5开通，由于C5上的电压为零，所以是零电压开通。Q5开通后，电流I_P逐渐反向增加，整个开关过程结束后，I_P的流向为Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。变压器原边向副边传输能量。

开关模态8(对应于[t₇，t₈])，t₇时刻，Q5关断，I_P给C5充电，C7、C8放电，充放电过程结束后，C5上的电压等于分压电容Cd1上的电压。原边电流的流向为：0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。

以上为两电平模式下，上半周期的开关过程，从开关过程可以看出，它实现了完全的软开关，下半周的开关过程与上半周完全相同，这里不再赘述。

在三电平模式中，本发明变换器在一个开关周期共有20种开关模态，分别对应于[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₂，t₃]、[t₃，t₄]、[t₄，t₅]、[t₅，t₆]、[t₆，t₇]、[t₇，t₈]、[t₈，t₉]、[t₉，t₁₀]、[t₁₀，t₁₁]、[t₁₁，t₁₂]、[t₁₂，t₁₃]、[t₁₃，t₁₄]、[t₁₄，t₁₅]，[t₁₅，t₁₆]、[t₁₆，t₁₇]、[t₁₇，t₁₈]、[t₁₈，t₁₉]、[t₁₉，t₂₀]，如图6所示。其中[t₀，t₁₀]为前半周期，[t₁₀，t₂₀]为后半周期。下面以图2为例，详细描述其工作过程。

开关模态1(对应于[t₀，t₁])。t₀时刻之前，t₀时刻之前，原边电流IP从中点0出发，流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-Q4。t₀时刻，Q4关断，电流I_P给C4充电，C1、C2放电，充放电结束后，C4上的电压等于分压电容Cd2上的电压。I_P的流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。

开关模态2(对应于[t₁，t₂])。t₁时刻，Q3、Q6关断，电流I_P给C3、C6充电，C1、C2、C7、C8放电，充放电结束后，C1、C2、C7、C8上的电压为零，原边电流流过Q1、Q4的反并联二极管，I_P的流向为D8-D7-B-A-D2-D1。

开关模态3(对应于[t₂，t₃])。t₂时刻，Q2、Q7开通，由于Q2、Q7的反并联二极管导通，所以是零电压开通，原边电流流向不变。

开关模态4(对应于[t₃，t₄])。t₃时刻，t₃时刻，开通Q1、Q8，由于Q1、Q8上的电压为零，并且有电容C1、C8，所以是零电压开通。电流I_P逐渐反向增加，整个开关过程结束后，I_P的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-Q8。变压器原边向副边传输能量。

开关模态5(对应于[t₄，t₅])。t₄时刻，t₄时刻，Q8关断，由于有C8所以是零电压关断，C8关断后，I_P给C8充电，C5、C6放电，充放电过程结束后，C8两端的电压等于分压电容Cd2两端的电压。I_P的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。变压器仍然由原边向副边传输能量，只是传输的功率减小。

开关模态6(对应于[t₅，t₆])。t₅时刻，Q1关断，由于有C1，所以是零电压关断。I_P给C1充电，C3、C4放电，充放电过程结束后C1的电压等于分压电容Cd1上的电压，I_P的流向为：0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。

开关模态7(对应于[t₆，t₇])。t₆时刻，Q2、Q7关断，由于有C2、C7，所以是零电压关断。I_P给C2、C7充电，C3、C4、C5、C6放电，充放电过程结束后，原边电流流过Q3、Q4、Q5、Q6的反并联二极管，C3、C4、C5、C6两端的电压等于零。I_P的流向为D4-D3-A-B-D6-D5。

开关模态8(对应于[t₇，t₈])。t₇时刻，Q3、Q6开通，由于原边电流流过其反并联二级管，Q3、Q6的电压为零，所以是零电压开通。

开关模态9(对应于[t₈，t₉])。t₈时刻，Q4、Q5开通，因为Q4、Q5上的电压为零，且有C4、C5，所以是零电压开通。电流I_P逐渐反向增加，整个开关过程结束后，I_P的流向为Q5-Q6-B-A-Q3-Q4.变压器原边向副边传输能量.

开关模态10(对应于[t₉，t₁₀])。t₉时刻，Q4关断，由于有C4所以是零电压关断。I_P给C4充电，C2、C1放电，充放电过程结束后，C4两端的电压等于Cd2两端的电压，Cs2两端的电压等于零。I_P的流向为Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。变压器仍然由原边向副边传输能量，只是传输的功率减小。

从以上开关过程可以看出，这种三电平DC/DC能够完全实现软开关，具有非常高的工作效率。

中点不平衡问题是所以三电平DC/DC必须解决的问题，本发明也不例外。本发明提供一种通过改变两个三电平桥臂中点输出电压正负脉宽的相对大小来控制中点不平衡的方法。设分压电容Cd1上的电压大于分压电容Cd2的电压。如图7所示，使正向脉宽大于负向脉宽，这样流出分压电容Cd1的电流I_cd1的平均值大于流入的电流，Cd1的电压U_cd1下降；而流入分压电容Cd2的电流I_cd2的平均值大于流出的电流，Cd2的电压U_cd2上升，流出两个分压电容Cd1、Cd2中点电流I_o的平均值小于零。需要特别说明的是，中点不平衡的控制并不局限于缩短正向或负向脉宽，也可以通过增加脉宽的方式，总而言之，就是通过控制正负向电压脉宽的相对大小来控制中点电压的不平衡。通过这种方式，中点不平衡的问题即能得以解决。

Claims (1)

1.一种三电平零电压开关直流变换器，其特征在于所述直流变换器由输入分压电容[1]、开关管斩波电路[2]、变压器隔离电路[3]、整流电路[4]、滤波电路[5]和直流电压输出电路[6]组成；输入分压电容[1]由第一分压电容[Cd1]、第二分压电容[Cd2]头尾相连而成；开关斩波电路[2]由两个三电平桥臂组成；第一开关管[Q1]、第二开关管[Q2]、第三开关管[Q3]、第四开关管[Q4]和第一钳位二极管[D9]、第二钳位二极管[D10]组成开关管斩波电路[2]的一个三电平桥臂，第一开关管[Q1]-第四开关管[Q4]头尾相连；第一开关管[Q1]反并联第一二极管[D1]，并与第一电容器[C1]并联；第二开关管[Q2]反并联第二二极管[D2]，并与第二电容器[C2]并联；第三开关管[Q3]反并联第三二极管[D3]，并与第三电容器[C3]并联；第四开关管[Q4]反并联第四二极管[D4]，并与第四电容器[C4]并联；第一开关管[Q1]、第二开关管[Q2]的中点与第一钳位二极管[D9]的阴极相连，第三开关管[Q3]、第四开关管[Q4]的中点与第二钳位二极管[D10]的阳极相连，第一钳位二极管[D9]的阳极与第二钳位二极管[D10]的阴极相连，其中点与第一分压电容[Cd1]、第二分压电容[Cd2]的中点相连；第五开关管[Q5]、第六开关管[Q6]、第七开关管[Q7]、第八开关管[Q8]和第三钳位二极管[D11]、第四钳位二极管[D12]组成开关管斩波电路[2]的另一个三电平桥臂；第五开关管[Q5]-第八开关管[Q8]头尾相连，第五开关管[Q5]反并联第五二极管[D5]，并与第五电容器[C5]并联；第六开关管[Q6]反并联第六二极管[D6]，并与第六电容器[C6]并联；第七开关管[Q7]反并联第七二极管[D7]，并与第七电容器[C7]并联；第八开关管[Q8]反并联第八二极管[D8]，并与第八电容器[C8]并联；第五开关管[Q5]、第六开关管[Q6]的中点与第三钳位二极管[D11]的阴极相连，第七开关管[Q7]、第八开关管[Q8]的中点与第四钳位二极管[D12]的阳极相连；第三钳位二极管[D11]的阳极与第四钳位二极管[D12]的阴极相连，其中点与第一分压电容[Cd1]、第二分压电容[Cd2]的中点相连；两个三电平桥臂与两个串联的第一分压电容[Cd1]、第二分压电容[Cd2]并联；两个三电平桥臂的中点分别与变压器隔离电路[3]的变压器原边绕组的两端相连；变压器隔离电路[3]为副边带中间抽头的变压器，或不带中间抽头的变压器，变压器的原边或串联谐振电感；变压器为副边带中间抽头的变压器时，整流电路[4]为由第十三二极管[DR1]、第十四二极管[DR2]组成的全波整流电路；第十三二极管[DR1]、第十四二极管[DR2]的阳极分别与变压器副边的不是中间抽头的两端相连，第十三二极管[DR1]、第十四二极管[DR2]的阴极相互连接，并与滤波电路[5]的一端相连；滤波电路[5]的另一端与变压器的中间抽头相连；滤波电路[5]为一个LC滤波电路；直流电压输出电路[6]的两端与滤波电容的两端并联；所述直流变换器或取消所述的第一电容器[C1]-第八电容器[C8]，通过第一开关管[Q1]-第八开关管[Q8]的寄生电容来实现软开关；所述直流变换器通过控制所述开关管斩波电路[2]输出电压的脉宽，控制能量传输的大小；通过控制所述开关管斩波电路[2]的三电平桥臂输出的正负向电压脉宽的相对大小来控制第一分压电容[Cd1]和第二分压电容[Cd2]上电压的不平衡。

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